張歆妍，高太光

（黑龍江科技大學 管理學院，黑龍江 哈爾濱 150027）

一、引言

我國煤炭資源既是主要能源也是經(jīng)濟支撐，在能源結(jié)構(gòu)中占重要地位。2013年煤炭行業(yè)的需求逐漸放緩、進口煤炭大量涌入我國，國內(nèi)煤炭資源的價格一路下跌，煤炭供求關(guān)系間的平衡被打破，過剩的煤炭使很多中小煤炭企業(yè)持續(xù)虧損。為解決該問題，《關(guān)于煤炭行業(yè)化解產(chǎn)能過剩實現(xiàn)脫困發(fā)展的意見》在2016年被提出，國務院出臺此意見是要控制煤炭項目新增數(shù)量，把落后產(chǎn)能淘汰，將長期資不抵債的虧損煤礦企業(yè)引導著退出市場。隨著能源結(jié)構(gòu)不斷優(yōu)化，具有優(yōu)勢的再生能源包括風、水及核能源等已經(jīng)凸顯其優(yōu)勢，煤炭等化石能源所占份額被擠壓，但仍然難以在短時間內(nèi)改變我國主要能源為煤炭的境況。

圖1 2000年-2019年煤炭產(chǎn)量變化趨勢圖

有數(shù)據(jù)顯示，隨著我國煤炭行業(yè)產(chǎn)能的不斷優(yōu)化，2000年我國煤炭產(chǎn)量不足十億噸，但在十四年后達到了峰值。此后，連續(xù)三年因市場供求關(guān)系而下降，但在煤炭行業(yè)中供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革正在進行，產(chǎn)業(yè)集中聚合度得到了提升，2017年開始產(chǎn)量重新出現(xiàn)增長，質(zhì)量和結(jié)構(gòu)都得到了進一步優(yōu)化。

目前，我國煤炭行業(yè)在深加工領(lǐng)域仍然是初級階段，雖然在產(chǎn)業(yè)發(fā)展上有一些想法，但還存在很多問題等待解決，并不具備大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化的條件。但環(huán)境問題也迫在眉睫，煤炭企業(yè)轉(zhuǎn)型升級勢在必行，由粗放型生產(chǎn)轉(zhuǎn)變?yōu)榧s型生產(chǎn)是目前我國大力倡導的可持續(xù)發(fā)展指導方針。基本確立煤化工行業(yè)復蘇，不斷釋放的政策方向支持，外加油價持續(xù)上漲，也使本次回暖具有持續(xù)性，其上下游產(chǎn)業(yè)鏈相關(guān)企業(yè)也會帶來經(jīng)濟效益。

圖2 2000-2020年煤炭消費趨勢圖

作為20世紀能源消費主體的煤炭，總消費量在能源消耗比重中占比高達80%，但21世紀開始，逐漸下滑。2000年我國煤炭消費為12.45億噸，2005年21.08億噸，2013年為一個轉(zhuǎn)折點，此后經(jīng)歷三年的持續(xù)下降，2017年受到各種因素的影響，需求大幅增長，直到2019年，消費量高出世界平均水平近30%。

二、煤炭行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀

首先，從供給側(cè)來看，從2016年2月1日，國務院發(fā)布煤炭供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革的文件標志著從“十三五”起，煤炭行業(yè)整體產(chǎn)業(yè)布局發(fā)生轉(zhuǎn)變，有關(guān)部門連續(xù)發(fā)布多個文件完善煤炭行業(yè)政策體系。因此，結(jié)構(gòu)性改革是切切實實取得到一定成果：(1)有效化解產(chǎn)出過剩；(2)生產(chǎn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化；(3)供求關(guān)系基本平衡；(4)自2017年起，綠色煤炭一直被推廣，煤炭價格也在合理區(qū)間浮動；(5)煤炭經(jīng)濟復蘇，扭虧為盈等。煤炭企業(yè)未來格局也受到這一系列政策措施影響，積極推動其發(fā)展格局變化，變化成為長期相對寬松的產(chǎn)能模式。伴隨經(jīng)濟大踏步向前，煤炭需求量大幅上漲。2014年是一個轉(zhuǎn)折點，經(jīng)濟發(fā)展在調(diào)整后進入新境界，調(diào)整后的能源結(jié)構(gòu)不再是產(chǎn)能不夠，而僅僅體現(xiàn)在一些季節(jié)性使用，具備時段性、區(qū)域性和平衡性。

其次，我國煤炭企業(yè)由中小煤礦為主，多種煤礦并舉向大型現(xiàn)代化煤礦為主轉(zhuǎn)變。通過“十三五”推動改革，大型現(xiàn)代化煤礦為主體，大型現(xiàn)代化煤礦占比達到八成。

圖3 2005年至今大型煤礦數(shù)量增長趨勢示意圖

現(xiàn)如今，全國煤礦總數(shù)僅有5000余個，其中，大型煤礦占比超過24%，產(chǎn)量超30億噸，年產(chǎn)值達到千萬級別的特大煤礦有44個，其產(chǎn)能接近8個億。也就是說在“十四五”期間，建成的80多個煤礦產(chǎn)能超12億噸，領(lǐng)先了全球煤炭產(chǎn)出水平。煤礦結(jié)構(gòu)性調(diào)整，使國有資本供給下的一些大企業(yè)得到優(yōu)化，跨行業(yè)和地區(qū)的煤炭集團達到一個全新的高度和期望。

全國煤炭呈階梯狀開發(fā)和利用，以晉陜蒙為集中點，其他地區(qū)逐漸減少煤炭開采。同時，消費也向中西部轉(zhuǎn)移，政策調(diào)整和產(chǎn)業(yè)布局的變化。占過往消費主體地位的四大行業(yè)：電力、鋼鐵、冶金和化工，占比達到88%，大幅下降的電力行業(yè)約占53%。

但與此同時，國內(nèi)煤炭供應運輸?shù)钠款i得到大幅度緩解。從煤炭產(chǎn)業(yè)格局來看，其包括煤電、煤焦化、煤化工等在內(nèi)的上下游企業(yè)，也都處于一個高速發(fā)展的蓬勃階段。煤炭產(chǎn)品所帶來的衍生性產(chǎn)品，比如石墨烯、硅烷氣等，以硅烷氣為例，進口硅烷氣200萬/噸，當時無法生產(chǎn)的產(chǎn)品，每年需要5000噸，而我們可以自己生產(chǎn)這種材料時，國際市場硅烷價格由200萬/噸降到20萬以下，成本8萬的硅烷氣，一年可以生產(chǎn)1500噸。在這種高端產(chǎn)品與技術(shù)研發(fā)平臺取得急速進步的同時，也意味著國內(nèi)新型材料、新技術(shù)的留白被填補上了。

逐漸完善了平穩(wěn)運行的煤炭產(chǎn)業(yè)體制機制，中長期合同訂單量的增多對維持包括基礎(chǔ)價格以及浮動價格在內(nèi)的定價機制的穩(wěn)定，這對煤炭經(jīng)濟起著支撐作用。

我們了解到，2003-2016這14年里，我國煤炭產(chǎn)品價格有較大波動，最高可達800+，最低可到360，這其中有接近500的價格區(qū)間，而在2017年以后，價格制定機制明確后，煤炭產(chǎn)業(yè)價格始終處于一個平穩(wěn)發(fā)展的狀態(tài)，并沒有出現(xiàn)大起大落的情況。

黨和國家對煤炭產(chǎn)業(yè)高度重視，明確煤炭行業(yè)始終處于我國能源兜底保障地位。5G下井在兗州煤礦推進迅速，并且在國家能源安全、穩(wěn)定問題方面起到了保障的重要功能，以目前資源勘探情況看，九成以上一次能源來自中國煤炭，而油氣不足6%，但能源消費三成來自油氣，這個壓力是巨大的，越來越依賴外部資源，因此煤炭資源開發(fā)轉(zhuǎn)型仍十分重要。通過對我國未來能源資源結(jié)構(gòu)變化預測，即便未來20年，新能源產(chǎn)業(yè)和可再生資源占比達到30%，油氣占比達到30%，煤炭能源占比下降1/3，也仍占比40%，依然是能源資源中主要能源。

從宏觀視角來看，新能源和可再生資源對煤炭產(chǎn)品起到一定替代作用，而且近幾年一直處于增幅大于其他能源資源的情況，這種增幅甚至在15.3%。煤炭需求盡管轉(zhuǎn)為中低速甚至低速發(fā)展仍是起著支撐作用，并符合經(jīng)濟長期發(fā)展。

煤炭企業(yè)的建設(shè)成本在不斷增加，尤其是近幾年經(jīng)常提到的煤炭開采時造成的環(huán)境、建設(shè)和資源成本等。在未來，上述的幾種成本仍然會有大幅度的提升，尤其是煤炭行業(yè)，由原本的征收價格變成權(quán)益價格以后，煤炭企業(yè)在建設(shè)投資初期就需要增加幾十億的成本。因此從我國宏觀經(jīng)濟發(fā)展角度來看，近幾年，煤炭消費量比過去是持平或減少狀態(tài)，因此，市場供需總體的寬松態(tài)勢不會發(fā)生太大變化，煤炭市場供需總體寬松態(tài)勢也不會發(fā)生改變。

三、研究現(xiàn)狀

目前大都從兩個角度進行研究：

(一)對煤炭生產(chǎn)總量建模

羅迪等優(yōu)化GM(1，1)模型精度，對原煤產(chǎn)量預測研究；彭新等基于GM(1，1)模型、GM(1，1)殘差模型和等維新息GM(1，1)模型分析基礎(chǔ)，選用GM(1，1)模型，對煤炭產(chǎn)量預測研究；賈縣民等考慮煤炭開采因素，建立煤炭最優(yōu)化開采模型，對煤炭開采量進行數(shù)值模擬；葉佩構(gòu)建基于關(guān)聯(lián)挖掘技術(shù)的煤炭產(chǎn)量預測模型；宋曉震等構(gòu)建GM(1，1)-M ar k o v組合模型，并對2019、2020年煤炭產(chǎn)量進行預測。

(二)對煤炭行業(yè)供需能力分析研究

劉娜等通過灰色關(guān)聯(lián)分析法，通過E v i ews分析影響煤炭消耗量的關(guān)聯(lián)因素，進而實現(xiàn)煤炭消耗多元分析；車利明對煤炭供給現(xiàn)狀進行分析后，對我國中長期煤炭供應結(jié)構(gòu)進行相關(guān)預測；吳飛等深入分析影響煤炭供應的相關(guān)因素，對2018-2020年我國煤炭供應量進行定性定量預測。

通過國內(nèi)外研究現(xiàn)狀分析，目前煤炭企業(yè)預測模型大多以GM(1，1)模型和M ar k o v模型為基礎(chǔ)，其中煤炭行業(yè)所擁有的樣本集較小，在構(gòu)建模型的過程中，對預測影響較大。因此，將這兩個特點考慮其中，采用極限學習機(ELM)算法對分析研究我國煤炭供需情況，進而為我國煤炭能源結(jié)構(gòu)優(yōu)化及煤炭行業(yè)相關(guān)政策制定提供借鑒。

四、極限學習機(ELM)的基本原理及其算法

(一)EL M基本原理

ELM是一種基于SLF N的新算法，這種極限學習機的算法，在運算過程中所產(chǎn)生的介于輸入層和隱含層之間的連接權(quán)值和神經(jīng)元閾值都是隨機且無序的，只要確定好其中神經(jīng)元的個數(shù)就不需要再進行多次訓練調(diào)整就可以輸出最優(yōu)解。與傳統(tǒng)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相比，ELM算法學習速度更快，泛化功能更好。

與B P神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相比，極限學習機(ELM)算法不需要像B P神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)一樣反復多次迭代來取得最優(yōu)解，而是在機器學習之前，設(shè)定好隱含層神經(jīng)元個數(shù)，利用隨機產(chǎn)生的輸入層、隱含層之間的連接權(quán)值與閾值來獲得最優(yōu)解。相較于B P神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)那樣采用梯度下降的方法來使誤差下降到需求范圍的計算方法而言，ELM它學習效率高，泛化功能好，不需要反復多次迭代，就可以將誤差降到所需的條件。而與相關(guān)向量機(R e l e v a n ce V ector M ac hi n e)相比，ELM除了在擬合預測與分類中很強大，學習效率高。十幾年中模型不斷修正，已經(jīng)優(yōu)于機器學習算法。

圖4 極限學習機(ELM)流程圖

(二)極限學習機(EL M)算法

ELM也與其他的前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)一樣，包括輸入X，輸出Y以及其中的隱含層。假設(shè)輸入層神經(jīng)元個數(shù)為n，輸出便也為n個。

其中，權(quán)值ω為輸入層與隱含層間的連接權(quán)值：

β為隱含層與輸出層間連接權(quán)值：

b為隱含層神經(jīng)元閾值：

具有Q個樣本訓練集輸入矩陣X和輸出矩陣Y是：

網(wǎng)絡(luò)輸出T為：

ELM進行訓練之前會隨機產(chǎn)生權(quán)重值w、閾值b，確定與該結(jié)構(gòu)匹配的連接權(quán)重值β，替代反復訓練尋找最優(yōu)解的過程。因此，這種算法在回歸、分類等領(lǐng)域被廣泛應用。

(三)基于EL M算法建模結(jié)果及分析

選取2010-2020年煤炭生產(chǎn)總量數(shù)量數(shù)據(jù)，將這十一年數(shù)據(jù)集進行劃分，隨機選取訓練集，訓練集選取6年數(shù)據(jù)，預測集取5年，基于ELM的煤炭供需預測模型進行訓練分析，我國煤炭行業(yè)生產(chǎn)總量數(shù)據(jù)預測如圖5所示。

圖5 煤炭生產(chǎn)總量預測圖

由圖5可知，ELM算法在生產(chǎn)量的預測值上較真實數(shù)據(jù)的誤差值較小，將該模型運用于煤炭行業(yè)消費量預測分析，預測圖見圖6。

圖6 煤炭消費總量預測圖

五、結(jié)論

本文提出基于極限學習機(ELM)的預測算法，對煤炭供需預測樣本數(shù)量較小及非線性特征基礎(chǔ)上，采用實際供需數(shù)據(jù)對模型進行訓練學習，同時驗證輸出數(shù)據(jù)與實際數(shù)據(jù)擬合度高，訓練結(jié)果精準，運行速度快，訓練后的數(shù)據(jù)進行預測，雖然存在一定誤差，但誤差值較小，具有較高的應用推廣價值。